嵌入式系统的发展概况及其发展前景

嵌入式系统的发展概况及其发展前景

随着信息技术的高速发展，电子产品越来越普及，这些产品的发展得益于嵌入式系统技术的快速发展，如Mp3、手机等日常用品就是嵌入式系统技术的应用。但嵌入式系统技术的应用还远不止此，在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、航天航空、军事设备、船舶等领域都有着重要的应用。嵌入式系统技术正悄然地影响着我们的生活，给我们带来了巨大的便利。它在我们的生产、生活中有着广泛的应用，并且有着良好的发展前景。

一、嵌入式系统发展历程

嵌入式系统的发展大致经历了4个阶段：

第一阶段：单片微型计算机（SCM）阶段，即单片机时代。这一阶段的嵌入式系统硬件是单片机，软件停留在无操作系统阶段，采用汇编语言实现系统的功能。这阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量也十分有限，几乎没有用户接口。

第二阶段：微控制器（MUC）阶段。主要的技术发展方向是：不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突显其对象的智能化控制能力。这一阶段主要以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心，主要特点是硬件使用嵌入式微处理器，微处理器的种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高。

第三阶段：片上系统（SOC）。主要特点是：嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小，效果好。

第四阶段：以Internet为标志的嵌入式系统。嵌入式网络化主要表现在两个方面，一方面是嵌入式处理器集成了网络接口，另一方面是嵌入式设备应用于网络环境中 。

二、嵌入式系统的含义

目前，嵌入式系统还没有比较权威、比较统一的定义，人们从不同的角度来理解嵌入式系统，描述嵌入式系统。

1．从应用角度：嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

2．从计算机角度：嵌入式系统是指嵌入式计算机及其应用系统，是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机系统，它主要完成信号控制的功能，体积小，结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中。它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。

3．从技术角度：嵌入式系统是计算机技术，通信技术，半导体技术，微电子技术，语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，是技术密集，投资强度大，高度分散，不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。

4、从综合角度：嵌入式系统定义为现代科学多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进入Internet网络技术的连接，从而适应应用环境的产品。

三、嵌入式系统特点

1．专用性强

嵌入式系统面向特定应用，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的小型化。

2．技术融合

嵌入式系统将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

3．软硬一体，软件为主

软件是嵌入式系统的主体，有IP核。嵌入式系统的硬件和软件都可以高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，可以在同样的硅片面积上实现更高的性能。

4．比通用计算机资源少

由于嵌入式系统通常设计成只完成少数几个任务。设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU，这就意味着管理的资源少，其成本低，结构更简单。

5．具有固化在非易失性存储器中的代码

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘中。

6．需专门开发工具和环境

嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

7．体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强

四、 嵌入式系统的分类

目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外,大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器(MCU)。根据其发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类:

1．嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。

2．嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)

嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROMPEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、Flash RAM、E2PROM 等各种必要功能和外设。

3．嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较

高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域,DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。

4．嵌入式片上系统(System On Chip)

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库,和许多其它嵌入式系统外设一样,成为VLSI设计中一种标准的器件,用标准的VHDL等语言描述,存储在器件库中。

五、嵌入式系统软件的特征

1．软件要求固态化存储

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮在磁盘中。

2．软件代码高质量、高可靠性

尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。

3．操作系统软件具有高实时性

在多任务嵌入式系统中，对各项任务进行统筹兼顾、合理调度是保证系统功能的关键，单纯提高处理器的速度是无法完成这些要求的，也是没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此操作系统软件的高实时性是基本要求。

六、嵌入式系统工业的特点

嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。

因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外,社会上的各个应用领域是在不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。

七、嵌入式系统的应用领域及其发展前景

嵌入式系统技术具有非常广阔的应用，其应用领域可以包括：

1．工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石

油化工系统。

2．交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。

3．信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。

4．家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。

5．POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。

6．环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

7．机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

嵌入式控制器的应用几乎无处不在:工业控制、交通管理、电子商务……无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工

业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。总之，嵌入式系统技术正在国计民生中发挥着重要作用，它有着非常广阔的发展前景。

八、总 结

无疑，由于嵌入式系统在多方面有着自身的许多优点和实用性，它的应用正贯穿于我们生活、生产的方方面面，它可应用到工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、环境检测和机器人等诸多方面。嵌入式系统有着良好的、广阔的发展前景，它正悄然地改变着我们的生产、生活。这使我们有理由相信，未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。